1. INTRODUÇÃO
2.3 FABRICAÇÃO DO CIMENTO E SUA RELAÇÃO COM A PRODUÇÃO DE CO
8% das emissões de dióxido de carbono do mundo. A fabricação de cimento também é responsável por um consumo altamente intensivo em energia, consistindo em cerca de 2% do consumo de energia primária ou 5% do consumo total de energia industrial do mundo (WORRELL et. al, 2001).
O processo de fabricação pode ser por via úmida ou seca. No primeiro, a moagem e a homogeneização dos materiais utilizados são feitas na forma de uma lama formada de 30 a 40% de água. No entanto, atualmente, a indústria do cimento utiliza-se da via seca por apresentar maior eficiência energética (MEHTA; MONTEIRO, 2014). Por via seca têm-se três etapas principais: preparação da matéria-prima, fabricação de clínquer no forno e fabricação do cimento (WORRELL et. al, 2001).
O calcário, gesso e a argila são as matérias-primas mais utilizadas na produção de cimento. Estas, após coletadas, são selecionadas e passam por operações de britagem, moagem e mistura, formando um compósito chamado de farinha. Esse processo é necessário para garantir que se formem os compostos esperados para o clínquer de cimento Portland. Essa farinha moída é queimada a altas temperaturas, permitindo trocas de calor com os gases aquecidos, induzindo a calcinação dos materiais e, em seguida, a clinquerização para produção do clínquer (WORRELL et. al, 2001; MEHTA; MONTEIRO, 2014).
Na zona de calcinação dos fornos rotativos, de 1450°C a 1550ºC, as reações químicas para a formação dos compostos do cimento Portland são completadas após a inserção de carvão pulverizado, óleo ou gás combustível na extremidade inferior da zona (MEHTA; MONTEIRO, 2014). Essas reações podem ser expressas como mostradas a seguir:
Calcário/. /CaO - CO" (5) Argila . SiO"- Al"O&- Fe"O& (6)
Argila + Calcário/. G
3CaO ! SiO" 2CaO ! SiO" 3CaO ! Al"O& ICaO ! Al"O&! Fe"O&
J (7)
A operação final acontece nos moinhos de bola onde ocorre a pulverização do clínquer em partículas entre 10 e 15µm. Para controlar as reações de pega e endurecimento do
cimento, são moídos juntos com o clínquer cerca de 5% de gipsita ou sulfato de cálcio (MEHTA; MONTEIRO, 2014). Todo o processo encontra-se resumido na Figura 6.
Figura 6: Esquema do processo produtivo do cimento.
Fonte: ABCP, 2012.
A combustão dos combustíveis fósseis e a calcinação do calcário na mistura bruta são as principais etapas responsáveis pela emissão de dióxido de carbono. No entanto, uma pequena fonte de emissão é o consumo de energia, com intensidade significativamente menor do que os dois primeiros processos, visto que cada um destes é responsável por aproximadamente metade do CO" emitido. Os processos de calcinação e clinquerização estão descritos como nas equações 8 e 9. O óxido de cálcio KCaO) corresponde de 64 a 67% do clínquer, o restante corresponde a óxidos de silício, de ferro e de alumínio. Sendo assim as emissões de CO" na produção do clínquer são de cerca de 0,5 kg/kg (WORRELL et al, 2001). No entanto, vale salientar que o teor de clínquer varia de acordo com o tipo de cimento, acarretando em uma ampla variação nas emissões de dióxido de carbono (REBMANN, 2011).
CaCO& . /CaO - CO" (8) 1 kg/.0,56 kg + 0,44 kg
MgCO& . /MgO - CO" (9) 3CaCO& -/SiO" ./ Ca&SiOL- 3CO"
Segundo Worrell et al. (2001), a quantidade de dióxido de carbono emitida durante a queima de combustível nos fornos rotativos é influenciada diretamente pelo tipo de combustível que está sendo utilizado, podendo ser, por exemplo, carvão, gás natural, coque de petróleo ou combustíveis alternativos. Os combustíveis alternativos ainda são pouco usados, porém têm surgido nos últimos anos como prática para reduzir custos e a intensidade das emissões de gás carbônico. Por outro lado, em alguns países estes ainda não se encontram disponíveis ou existe uma certa dificuldade em se obter permissões para o uso. O Brasil, no ano de 2014, ainda tinha 85,6% dos seus combustíveis sendo os convencionais (CSI, 2016b). A Tabela 3 mostra a intensidade de carbono de acordo com os combustíveis utilizados.
Tabela 3: Contribuição de emissão de gás carbônico de acordo com o combustível utilizado.
Combustível Intensidade de carbono emitido (kg/NPQRTU)
Carvão 96
Óleo combustível 77,4
Gás 56,1
Papel 110
Pneus 85
Resíduos industriais misturados 83
Fonte: CSI, 2016b (adaptado).
Mundialmente, a Ásia apresenta-se como líder do consumo de cimento, este está diretamente ligado às atividades econômicas e de construção (Figura 7).
Figura 7: Consumo per capita de cimento no ano de 2012 (em kg/hab).
Fonte: SNIC, 2013.
A consequência desse consumo gera um impacto ambiental alarmante. Em cerca de 26 anos, foram emitidas mais de 7 bilhões de toneladas de CO" no mundo (Figura 8). Deste valor,
o Brasil foi responsável por aproximadamente 4,4%, o equivalente a 333 milhões de toneladas de dióxido de carbono emitidas (CSI, 2016a).
Figura 8: Total bruto de emissões de dióxido de carbono no mundo em milhões de toneladas.
Fonte: CSI, 2016.
Sendo responsável por 88,6% a 92,2% das emissões de CO!da indústria do concreto, a indústria cimenteira está instigada a procurar medidas que as reduzam. Uma das estratégias mais conhecidas é a redução do teor de clínquer no cimento, sendo substituído por adições minerais na fabricação (OLIVEIRA et al., 2014). Uma segunda alternativa seria um menor consumo de concreto nas estruturas ou ainda reduzir o próprio consumo de cimento (METHA; MERYMAN, 2009). Caso estas três ações fossem aliadas e concretizadas em conjunto poderia haver uma redução de 40 a 50% no consumo de clínquer, cuja fabricação é a principal etapa de emissão de CO! (REBMANN, 2011).
Segundo a WBCSD/IEA (2009), a produção global de cimento deve crescer de 12 a 23% até 2050. Isso acarretaria um crescimento considerável nas emissões de CO!, no entanto, a indústria de cimento está migrando para sistemas mais eficientes de produção, em 2011 mais de 68% já ocorria por via seca. Considerando um cenário de melhorias na fabricação seria possível reduzir em 40% até 2050 as emissões de dióxido de carbono em relação ao ano de 2012 (Tabela 4).
Tabela 4: Cálculo das emissões de CO!por tonelada de clínquer a partir dos dados de WBCSD/IEA (2009).
Ano 2012 2015 2020 2025 2030 2050
Teor de clínquer 0,77 0,76 0,74 0,735 0,73 0,71
kg CO!/t cimento 750 660 620 590 560 420
kg CO!/t clínquer 974,03 868,42 837,84 802,72 767,12 591,55
Fonte: Adaptado de Damineli, 2013.
2.4 CONCRETO COM BAIXO CONSUMO DE CIMENTO
Segundo Rebmann (2016) é possível observar um enorme potencial no controle ou mitigação do impacto ambiental causado pela produção de cimento, reduzindo o consumo do mesmo. Essa redução que vai além das questões ambientais, técnicas e econômicas, diz respeito à sustentabilidade e viabilidade do negócio do cimento. Uma vez que, se a fabricação deste cresce, proporcionalmente, haverá um maior consumo energético que pode ser restringido pelo mercado de energia, que depende diretamente da economia internacional e de questões ambientais (REBMANN, 2011).
Portanto, as vantagens de se produzir um concreto com reduzido consumo de cimento não estão apenas na garantia de longevidade das jazidas de matérias primas ou no controle das emissões de CO!, do ponto de vista técnico também pode ser agente mitigador de patologias que possuem origem na utilização de um alto consumo de cimento (REBMANN, 2011).
Segundo Rebmann (2011), a retração é um dos fenômenos de estabilidade dimensional do concreto que são influenciados pelo consumo de cimento e pode ser subdividida nas etapas antes e após o endurecimento. Quando o concreto ainda se encontra fresco, esse processo pode acontecer devido ao assentamento plástico ou à retração plástica. Sendo o primeiro fruto dos fenômenos de sedimentação e exsudação, dessa forma traços com baixo consumo de cimento apresentarão maior tendência a estes fenômenos. No entanto, ajustando a granulometria dos agregados e adicionando finos para formar um esqueleto granular compacto, é possível reduzir essa tendência.
Ainda segundo o autor, a retração plástica diz respeito a contração de Le Chatelier e a retração autógena. Esta contração é mais comum e de maior intensidade à medida que se aumenta o consumo de cimento, a relação a/c e a proporção de finos no concreto.
A eliminação de água da estrutura é a causa para a retração no estado endurecido do concreto. Logo, com um reduzido teor de pasta de cimento, ocorrerá uma retração com menor intensidade, visto que é apenas a pasta que sofre esse fenômeno. As reduções de retração no
concreto também podem ser aplicadas para a fluência, o que acarreta vantagens para o uso em estruturas protendidas (REBMANN, 2011).
A durabilidade do concreto também é favorecida devido a um sistema de poros com maior tortuosidade, fruto de um esqueleto granular bem empacotado e de uma microestrutura hidratada refinada (REBMANN, 2016).
2.4.1 Formas de reduzir o consumo de cimento
Com a associação de diversos fatores é possível produzir um concreto com baixo consumo de cimento sem comprometer suas propriedades, sejam elas no estado fresco ou endurecido (REBMANN, 2016). Esses fatores devem passar por:
a) Dispersão de partículas: devido a uma massa reduzida e alta área superficial, as partículas finas apresentam grande tendência a permanecer juntas, fazendo com que as forças de superfície sejam maiores que as gravitacionais. Como não ocorre o equilíbrio entre essas forças, são gerados esforços de atração maiores que de repulsão. Sendo assim, esses aglomerados funcionam como partículas menores o que leva a uma modificação na granulometria do material, a dificuldade de mobilidade das linhas de fluxo (ocorre um aumento de viscosidade), a uma geração de vazios aumentando o consumo de água e a redução da eficiência dos ligantes (DAMINELI, 2013). Sendo assim, dispersar os grãos é medida importante para fazer o empacotamento funcionar. Isso pode ser obtido utilizando-se de aditivos dispersantes, que apresentem compatibilidade com o tipo de cimento utilizado (REBMANN, 2016);
b) Empacotamento de partículas: utilizando de uma melhoria no arranjo granulométrico das partículas, que reduz o volume de vazios, o empacotamento de partículas aumenta a compacidade do conjunto, beneficiando suas propriedades reológicas durante a mistura enquanto o concreto permanecer no estado plástico (LIMA et al., 2016); c) Uso de finos inertes: aqueles que apresentam a mesma granulometria que o
aglomerante, podem atuar como uma substituição. Quando com granulometria mais fina atuam como uma adição aprimorando o empacotamento da pasta de cimento (REBMANN, 2016);
d) Uso de materiais pozolânicos: adicionando estes materiais no concreto pode-se ter como resultado uma melhora na interface da pasta com os agregados, além dela como
um todo, o que diminui consideravelmente o tamanho e a quantidades de poros, tornando o concreto mais resistente com menor porosidade (REBMAN, 2011);
e) Escolha adequada dos finos e agregados: é preciso conhecer a morfologia dos grãos para que ao inserir finos na mistura, estes contribuam na granulometria das partículas e não venha a causar um aumento na utilização de água (REBMANN, 2016). Essa contribuição também é esperada pelos agregados, pois com escolhas certas se pode reduzir o consumo de pasta que é fundamental para garantir a mobilidade dos grãos (WALLEVIK; WALLEVIK, 2011);
f) Mistura adequada: segundo Wallevik e Wallevik (2011), o tipo e proporção do aparelho misturador e a sequência da mistura podem afetar a reologia do concreto no seu estado fresco. Opções que tendem a garantir a homogeneidade e dispersão de partículas, além do momento mais apropriado para o lançamento do aditivo, podem afetar a trabalhabilidade ou precisarem de um menor consumo de água, o que levaria a uma redução no cimento (CASTRO, 2007);
g) Uso de técnicas de caracterização reológica: Rebmann (2016) afirma que as técnicas de caracterização reológica podem ser utilizadas nas etapas iniciais ou finais da produção de concreto, envolvendo medidas que estabeleçam as proporções dos materiais e o consumo de aditivo durante a dosagem, assim como na fiscalização da qualidade do concreto posteriormente;
h) Tipos de cimento: cada tipo de cimento apresenta uma composição química e física que influem diretamente em propriedades do concreto como cinética de hidratação, trabalhabilidade e resistência.